由亚麻纤维建造的可持续建筑

在过去的一个世纪里，建筑业已经成为最耗材和对环境最有害的人类活动之一。位于德国弗莱堡大学植物园的livMatS展馆提供了一种可行的、节约资源的替代传统建筑方法，代表了建筑可持续性的重要一步。它是第一座完全由机器人缠绕的亚麻纤维构成的承重结构建筑，亚麻纤维是一种完全自然可再生、可生物降解的材料。

通过天然材料和先进的数字技术的新组合，livMatS展亭由来自斯图加特大学IntCDC（综合性计算设计和建造）精英集群、ITECH研究生项目的建筑师和工程师，以及来自弗莱堡大学livMatS（生命、适应力和能源自主材料系统）精英集群的生物学家合作完成，以新颖的方式对天然材料和先进的数字技术进行了结合。

这个以生物为灵感的展馆展示了如何同时兼顾几何、材料、结构、生产、环境和美学要求的新颖联合设计过程，以及应用于自然材料的先进机器人制造技术，能够产生一个独特的建筑。亚麻结构元素独特、复杂的表面外观，唤起了人们对格子结构和生物系统的回忆。

天然纤维材料

可持续的建筑环境的先决条件是发展新的节约资源的设计和建造方法，同时继续研究自然可再生材料的使用。
纤维复合材料表现出卓越的强度重量比，这一特性为开发创新的、材料高效的轻量化结构提供了良好的基础。碳和玻璃纤维增强复合材料已经在航空航天工程、机械工程和汽车工业等领域建立了良好的基础。在过去的几年里，天然纤维作为一种可持续的替代品的重要性在这些领域变得越来越重要。但是，在建设业界，至今还没有把它们当作建筑材料。

在过去的两年里，斯图加特大学计算设计与建造研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）的建筑师和工程师团队研究了使用天然纤维作为建筑材料的潜力，因为它们提供了一种有前景且可持续的合成纤维替代品。

livMatS展馆的结构组件是用亚麻纤维建造的。数千年来，这些纤维一直被用于亚麻织物和服装的生产，直到18世纪棉花开始取代它们。它们的机械性能可与玻璃纤维粗纱相媲美;它们提供了类似的刚度每重量，但具有低得多的内蕴能量。与玻璃纤维或碳纤维以及许多其他天然纤维不同，亚麻纤维在中欧地区可以买到，并按年度作物周期生长。它们是完全可再生、可生物降解的，因此为建筑行业开发创新的资源节约替代品提供了良好的基础。它们具有潜力，特别是与高效轻量化设计相结合，可以显著减少建筑的环境足迹。

仿生研究

生物学在各个学科中都是一个鼓舞人心的模型。特别是在建筑方面，它通过有效、高效和节约资源的能源和材料的使用来激发灵感。例如，自然界中的大多数承重系统是由纤维增强材料系统构建的，其纤维结构通常是高度分化的；纤维的方向、方向和密度可根据局部发生的力精确调整，在不需要的地方不会浪费或使用任何材料。

livMatS展馆的灵感来自仙人掌（Carnegia gigantea）和仙人球仙人掌（Opuntia sp），它们的特点是其特殊的木结构。仙人掌有一个圆柱形的木芯，里面是空心的，因此特别轻。它由网状的木结构组成，这为骨架提供了额外的稳定性，是由其单独的木材元素的相互生长而形成的。刺梨仙人掌扁平的侧枝组织也与网状的木纤维束交织在一起，层层排列并相互连接。因此，仙人掌的组织具有特别高的承载能力。通过抽象这些网络结构，科学家们能够将交联纤维结构的力学性能转化为展馆的轻量化结构元素。

一体化设计与制造

该项目扩展了超过10年的纤维结构研究。以前的研究集中于在建筑中使用合成纤维复合材料，如玻璃纤维和碳纤维，并结合先进的计算设计、模拟和制造方法。livMatS展馆将这项研究扩展到更可持续的天然亚麻纤维建筑方法，并研究了这些天然纤维在大规模应用中的使用情况。

承重建筑构件采用项目团队开发的无芯纤维缠绕工艺生产。在这种附加制造方法中，机器人非常精确地将纤维束放置在缠绕架上。这允许对纤维的方向、对齐和密度进行有针对性的校准和建筑连接，以完全符合组件的结构要求，如其生物灵感。预定义的组件形状仅通过缠绕框架内的纤维相互作用而显现，无需任何额外的模具或芯。此外，这种制造方法不会产生任何废物或边角料。此外，相同的模块化绕组架可用于所有几何变化的元件。与传统建筑材料相比，这种材料具有优异的材料效率，并具有较高的承载能力。

天然纤维及其生物变异性给研究人员带来了新的挑战，特别是在计算设计和机器人制造工作流程以及机器控制方面。这些协同设计工作流程最初是为合成材料开发的，因此是均质材料，现在需要适应亚麻纤维的材料特性。这种对综合计算设计模型的调整使异质材料特性能够为单个部件以及整体结构的设计和规划提供信息。天然纤维的特殊机械性能也要求重新配置机器人制造工艺。

可持续综合示范区

livMatS展馆的承重结构由15个亚麻纤维组件组成，这些组件完全由连续的天然纤维预制，以及结构顶部的纤维顶石元素。这些元素的总长度从4.50米到5.50米不等，平均重量只有105公斤。整个纤维结构重量约1.5吨，占地46平方米。最终设计符合德国建筑规范和相关的结构许可要求，并设置荷载组合，包括风荷载和雪荷载。

来源：荣格-《国际复材技术商情》


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